CH10单片机应用系统设计

1、第10章 单片机应用系统设计技术主讲：聂雄1.第10章 单片机应用系统设计技术单片机应用系统设计的基本原则单片机应用系统设计的一般过程模块化软件设计单片机开发系统单片机应用系统设计举例2.10.1单片机应用系统设计的基本原则1.可靠性高2.性能价格比高3.操作简便4.设计周期短3.10.2 单片机应用系统设计的一般过程 确定任务、总体设计、硬件设计、软件设件、在线仿真调试、程序固化等阶段。 4.10.2.1确定任务 在设计单片机应用系统前必须明确应用系统的功能和技术指标。首先要对应用对象的工作过程进行深入调查分析和细致研究，明确单片机系统所要完成的任务、控制对象的状况及所要达到的技术指标.5.

2、10.2.2总体设计 总体设计包括：系统构成，单片机选型，外围器器的选择，软件、硬件功能划分等1.系统构成 确定整个单片机系统的组成部分，例如显示、键盘、输入通道、输出通道、打印、通信等。 2.单片机机型的选择 首先，应根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。机型选择的出发点及依据，可根据市场情况，挑选成熟、稳定、货源充足的机型产品。 另一方面为提高效率，缩短研制周期，最好选用最熟悉的机种和器件。采用性能优良的单片机开发工具也能加快系统的研制过程。6.10.2.2总体设计 3.外围器件选择 应用系统除单片机以外，系统通常还有执行器件、传感器、模拟电路、输入输出接口电路、存储器等器件和设备。

3、4.软硬件功能划分 原则上，能够由软件来完成的任务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构，提高可靠性，但是它可能会降低系统的工作速度。7.10.2.3 硬件设计 主要任务是根据总体设计要求，以及在所选机型的基础上，确定系统扩展所要用的存储器、IO电路、AD、D/A转换电路以及有关外围电路等，然后设计出系统的电路原理图。1.程序存储器的设计 通常尽可能选择满足系统程序容量要求的机型，而不再进行程序存储器的扩展。2.数据存储器和输入输出接口的设计 在选择IO接口电路时应从体积、价格、功能、负载等几个方面来考虑。 对于AD、DA电路芯片的选择原则应根据系统对它的速度、精度和价格要求而确定

4、。8.10.2.3 硬件设计3.地址译码电路的设计 地址译码电路的设计，应考虑充分利用存储空间和简化硬件逻辑等方面的问题，通常采用全地址译码法和线选法相结合的办法。4.总线驱动器的设计 5l系列单片机扩展功能比较强，但扩展总线负载能力有限。若所扩展的电路负载超过总线负载能力时，系统便不能可靠地工作。此情况下必须在总线上加驱动器。9.10.2.3 硬件设计5.模拟量输入和模拟量输出电路的设计 包括：模拟量输入系统和输出系统设计(1)模拟量输入系统设计 模拟输入系统一般由电压形成，模拟滤波（ALF）、采样保持（SH）电路、模拟多路转换开关以及AD转换器等组成。检测信号通常采用电流传输方式。电压形成

5、回路负责将检测信号变换为AD转换器所需的标准电压信号。通常采用IV电阻变换器。若检测信号微弱还需要加接放大电路。在AD转换之前往往还需要加接采样保持(SH)电路。 在单片机测控应用系统中，经常需要多路或多参数采集。 10.10.2.3 硬件设计5.模拟量输入和模拟量输出电路的设计(1)模拟量输入系统设计(2)模拟量输出系统设计模拟量输出通道负责把单片机系统处理后的信号转换为模拟信号作为最后的输出以驱动控制对象，实现自动控制，DA芯片是其重要组成部分。DA转换器对输入数字量是否具有锁存功能将直接影响与CPU的接口设计。 6.系统速度匹配 51系列单片机时钟频率可在212 MHz之间任选。在不影响

6、系统技术性能的前提下，可选择低时钟频率，以降低系统功耗。11.10.2.3 硬件设计 7. 抗干扰措施 根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从电源供电系统和硬件电路两个方面考虑。 首先，对电源供电系统采取抗干扰措施。其次，为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施： (1) 大规模IC芯片电源供电端VCC都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级供电节点还应加足够容量的退耦电容； (2) 输入输出通道抗干扰措施。可采用光电隔离电路、双绞线等提高抗干扰能力。特别是与继电器、可控硅等连接的通道，一定要采用隔离措施； 12.10.2.3 硬件设计 7. 抗干扰措施 (3

7、) 可采用CMOS器件提高工作电压（+15 V），这样干扰门限也相应提高； (4) 传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强； (5) 电路应有合理的布线及接地方式； (6) 与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。13.10.2.4软件设计软件系统定义软件结构设计控制算法的确定14.10.2.4软件设计软件系统定义系统定义是指在软件设计前，首先要进一步明确软件所要完成的任务，然后结合硬件结构，确定软件承担的任务细节。15.10.2.4软件设计软件定义的内容如下：（1）定义各输入输出的功能、信号的类别、电平范围、与系统接口方式、占用的口地址、数据读取和输出的方式等。（2）

8、定义分配存储器空间，包括系统主程序、常数表格、功能子程序块的划分、入口地址表等。（3）若有断电保护措施，应定义数据暂存区标志单元等（4）面板开关、按键等控制输入量的定义与软件编制密切有关，系统运行过程的显示、运算结果的显示、正常运行和出错显示等也是由软件完成的，所以事先要给予以定义。16.10.2.4软件设计2. 软件结构设计 对于简单的单片机应用系统，可采用顺序结构设计方法，其系统软件由主程序和若干个中断服务程序构成。明确主程序和中断服务程序完成的操作及指定各中断的优先级。 对于复杂的实时控制系统，可采用实时多任务操作系统。此操作系统应具备任务调度、实时控制、实时时钟、输入输出和中断控制、系

9、统调用、多个任务并行运行等功能。以提高系统的实时性和并行性。17.10.2.4软件设计 3.控制算法的确定对被控对象的变化规律或控制过程客观真实地描述建立被控对象的数学模型决定单片机系统需要检测哪些变量，采用怎样的控制算法可能还要考虑软件算法的精度等等18.10.2.5 单片机应用系统的调试应用系统的调试分硬件调试和软件调试。硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬件故障。19.10.2.5 单片机应用系统的调试1.常见的硬件故障逻辑错误：由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。元器件失

10、效：一是元器件本身已损坏或性能不符合要求，二是由于组装错误造成元器件失效。可靠性差：金属孔、接插件接触不良等，内部和外部的干扰、电源的纹波系数较大、器件负荷过重等会造成逻辑电平不稳定；走线和布局不合理等也会引起系统可靠性差。电源故障：包括电压值不符合设计要求，电源引线和插座不对、电源功率不足、负载能力差等。20.10.2.5 单片机应用系统的调试2. 硬件调试方法脱机调试：脱机调试亦称静态调试。对于样机所用的电源事先必须单独调试。联机调试：联机调试亦称动态调试。联机前先断电，将单片机开发系统的仿真头插到样机的单片机插座上，检查一下开发机与样机之间的电源、接地是否良好。如一切正常，即可打开电源。

11、通电后执行开发机的读写指令，对用户样机的存储器、IO端口进行读写操作、逻辑检查。主机部分调试好后，再调试外部设备21.10.2.5 单片机应用系统的调试3.软件调试方法 软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。如果采用模块程序设计技术，则逐个模块分别调试，一个子程序一个子程序地调试，最后联起来统调。各模块通过以后，可以把有关的功能块联合起来一起进行综合调试。单步和断点调试后，还应进行连续调试。采用实时多任务操作系统时，逐个任务进行调试。程序联调运行正常后，还需在模拟的各种现场条件和恶劣环境下调试、运行，以检查系统是否满足原设计要求。22.10.2.6程序固化软件和硬件联机调试反复运行正常

12、后，则可将用户系统程序固化到程序存储器，程序固化需要借助开发系统的编程器来完成。再将已固化的程序存储器芯片插入用户样机，用户系统即可脱离开发系统独立工作。（Flash型单片机已经不需要这一步步骤了）应用系统还要到生产现场投入实际工作，检验其可靠性和抗干扰能力，直到完全满足要求，至此，系统才算研制成功。23.10.3 模块化软件设计模块化结构的基本组成各模块数据缓冲区的建立模块化程序设计方法系统监控程序设计24.10.3.1模块化结构的基本组成 各功能模块以子程序的形式出现。模块结构一般分三层。最低一层最低一层是一个通用子程序库，这个子程序库包括三个方面的功能子程序：一般性子程序。过程控制通用子

13、程序。打印机及显示器的驱动子程序、数据传送和变换子程序执行功能模块层它能完成各种实质性的功能。即在以上通用子程序库的基础上，根据对过程控制系统结构的归纳、分类和规范化，组成各执行功能模块。系统监控与管理模块层协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度的角色。监控软件和各执行模块的安排整个系统软件可分为后台程序(背景程序)和前台程序。25.10.3.2各模块数据缓冲区的建立 模块之间的联系是通过数据缓冲区以及控制字进行联系的1.数据类型和数据结构规划将每一个执行模块要用到的参数和要输出的结果一并列出来。规划数据类型。从数据类型上来分类，数据可分为逻辑型与数值型。2.各模块数据缓冲区的

14、确定资源分配的主要工作是RAM资源的分配。常用的方法如下：片内RAM指00H7FH单元。片内RAM常用于作为栈区、位寻址区和公共子程序的工作缓冲区，如存放参数、指针、中间结果等片外RAM的容量比片内RAM大，通常用来存放批量大的数据，可作为执行模块运算存储器用于存放需要保留时间较长的数据26.10.3.3模块化程序设计方法模块化程序编程有2种方法：一种是自上而下，逐步细化；一种是自下而上，先设计出具体模块（子程序），然后再慢慢扩大，象搭积木一样，最后形成系统（主程序）。两种方法各有优缺点。自上而下方法在前期看不到什么具体效果，对于初学者来说，心中不塌实；而自下而上的方法一开始就有效果，每设计一

15、个模块，即可进行调试，就能看到一个实际效果，给人一种一步一个足印的感觉，对于初学者比较有利，能树立信心。27.10.3.4系统监控程序设计1.监控程序的任务系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序。它完成人机会话和远程控制等功能，使系统按操作者的意图或遥控命令来完成指定的作业。它是单片机系统程序的框架。2.监控程序的结构作业顺序调度型键码分析作业调度型28.10.4 单片机开发系统单片机的开发系统由仿真器（或编程下载器） 、微型计算机和配套软件构成。29.10.4 单片机开发系统简易开发系统结构 单片机应用系统下载器计算机30.10.4 单片机开发系统简易开发系统结构 31.10.

16、4 单片机开发系统（Keil软件）32.10.4 单片机开发系统（IAR软件）33.10.5 单片机应用系统设计举例在实际的单片机工程开发中，我们需要进行下面的工作：分析工程需求，确定单片机需要哪些外围器件。外围器件要尽量选择通用器件。根据工程要求，设计控制方案。根据单最小系统以及外围器件的要求设计电路板，将元器件焊接到电路板上。逐个调试外围元器件程序，并将其编辑成函数形式，如液晶显示函数、按键读取函数、温度读取函数、电机旋转控制函数。编辑主函数、中断函数。按照控制的要求，主函数、中断函数调用其他函数操作外围器件，这就是工程的核心所在，也是困惑初学者的难点之一。34.10.5.1 单片机系统与

17、传感器传感器信号的输出方式:模拟信号和数字信号传感器功能生产公司总线接口DS18B20温度传感器美国DALLAS1-WireMAX6626温度传感器美国MAXIMI2CLM74温度传感器美国国家半导体SPIMAX6691配热电偶的四通道智能温度传感器美国MAXIM单线PWM输出MAX6674有冷端温度补偿的K型热电偶转换器美国MAXIMSPISHT11单片智能化湿度/温度传感器瑞士Sensirion2线数字MAX1458数字式压力信号调理器美国MAXIMSPISB5227超声波测距重庆中易电测技术研究所RS-485FCD4B14单片指纹传感器美国ATMELEPP、USB、数字MC1446B离子

18、型烟雾检测MOTOROLA数字表10-1常见的传感器举例35.10.5.2 光电隔离技术在驱动大电流电器或有较强干扰的设备时，常使用光电隔离技术，以切断单片机与受控对象之间的电气联系。光电耦合器有晶体管输出型和晶闸管输出型。晶体管输出型光电耦合器36.10.5.2 光电隔离技术晶闸管输出型光电耦合器37.10.5.3 单片机驱动低压电器固态继电器SSR(solid state releys)固态继电器是一种无触点通断电子开关38.固态继电器的应用使用单片机和固态继电器驱动交流220V电器的电路39.10.5.3 单片机驱动低压电器交流接触器40.交流接触器应用电路使用单片机和交流接触器驱动3相

19、电机的电路KM是交流接触器的电磁线圈（以交流380V线圈为例），单片机控制固态继电器的通断状态，进而控制接触器的电磁线圈是否吸和。固态继电器有光电隔离功能，所以380V的交流电对单片机的控制不会有干扰。41.10.5.4 单片机的看门狗电路看门狗的作用就是防止程序发生死循环或防止单片机死机由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，程序有时会陷入死循环，并造成整个系统的陷入停滞状态。出于对单片机安全运行进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称“看门狗”（WDT）。单片机的WDT其实是一个定时器看门狗工作时启动了看门狗的定时器，看门狗就开始自动计数。在单片机

20、正常工作的时候，需要每隔一端时间给定时器清零（即喂狗信号）。如果超过了定时器规定的时间还没有输入喂狗信号，看门狗的定时器会溢出，就会输出一个复位信号到单片机，并使单片机复位。42.2.AT89S51单片机的内置看门狗功能AT89S51单片机内部集成了看门狗功能。看门狗的计数器叫WDTRST寄存器，是14位长度，最大计数值是16383，即3FFFH。WDTRS寄存器在内部数据RAM的地址是0A6H。看门狗的使用：激活AT89S51看门狗的方法是先向该地址写01EH，然后写0E1H即可。喂狗指令也是先向该地址写01EH，然后写0E1H43.3.AT89S51单片机看门狗的编程#include.sf

21、r WDTRST = 0 xA6;/定义看门狗寄存器.void main() WDTRST=0 x1E;/初始化看门狗 WDTRST=0 xE1;/初始化看门狗 while(1) WDTRST=0 x1E;/喂狗指令 WDTRST=0 xE1;/喂狗指令 /其他操作 44.10.5.5 单片机的低功耗工作方式单片机有两种低功耗方式，即待机（或称空闲）方式和掉电（或称停机）保护方式。在低功耗方式，备用电源由Vcc或RST端输入。待机方式可使功耗减小，电流一般为1.75mA；掉电方式可使功耗减到最小，电流一般为550A。待机方式和掉电保护方式所涉及的硬件如图10-11所示。45.10.5.6 单片

22、机控制系统设计实例1.功能要求 根据冲洗相片底片的要求，系统需要实现如下功能：需要对冲洗液的温度进行控制。需要不断地搅拌冲洗液。2.方案论证根据控制要求，系统框图如图10-12所示46.3.硬件电路设计47.表10-1 器件的选型及其功能器件功能使用控制引脚AT89S51控制核心芯片DS18B20温度传感器P3.73个按键设定温度、启停P3.4、P3.5、P3.6 液晶显示设定温度和当前温度P1口、P3.0、P3.1、P3.2固态继电器控制220V加热丝通断P2.0固态继电器控制220V冷水电机运转P2.1LG9012驱动12V搅拌电机运转P2.2、P2.348.各模块硬件电路功能（1）温度采集